JP2019216531A - 円筒型永久磁石発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】コギング及び脈動を最小化し、電圧及び電流の脈動の少ない安定な大電流の直流を発電することができる円筒型永久磁石発電機を提供する．【解決手段】基台に固定された外側円筒と、外側円筒の内面に円周方向に設けられた複数の空芯コイルと、外側ヨークと、を備える固定子と、基台に設けられた軸受けに、外側円筒と同心且つ回転自在に軸支された中心軸と、中心軸に貫通されて固定された内側円筒と、内側円筒の外周面に、磁極の方向が円筒の直径方向に沿い、隣接する磁石と相互に反対に向くように着磁された複数の磁石と、内側円筒の内側に設けられた内側ヨークと、を備える回転子とを備え、磁石の数が４以上の偶数であって、前記コイルの数が前記磁石の数より１多いか又は１少ない円筒型永久磁石発電機。【選択図】 図１

Description

本発明は、円筒型永久磁石発電機に係り、より詳しくは、コギングトルク及び電流の脈動を減少させて発電量及び発電効率を増大させた円筒型永久磁石発電機に関する。

永久磁石を用いた発電機として、特許文献１には、図６に示すように、伝達軸２に固定された円板状の基板７と、この基板７の周辺部に設けられたドーナツ状の第１のヨーク８と、第１のヨーク８の平面部に設けられた複数個の永久磁石９と、永久磁石９に対向し装置本体内に設けられたドーナツ状の第２のヨーク１０と、第２のヨーク上に設けられた複数個のコイル１１とを有し、永久磁石の回動によりコイルに誘導電圧を発生させて発電する発電装置が記載されている。

しかし、この形式の発電機は、磁石が１回転する間にコイルが複数回磁束を切ることになるので、コギングという回転障害を生じて回転が円滑に行われなくなり、また大きな起動トルクを必要とするという課題が特許文献２に提示された。この課題を解決する手段として、特許文献２は、図７ａに示すように、主軸３０と、この主軸に固定されかつ外周に８極に着磁された磁性体２０と、この磁性体の下部に設けられた鉄板１０と、鉄板１０の上に設けられたコイル５０を有し、図７ｂに示すように、鉄板の上に円周に沿って８個のコイルが並べられ、図８ｃに示すよう磁石が８局に着磁され磁石と磁性体との距離が一定となった直流発電装置を開示している。

しかし、特許文献２に開示された発電システムは、外周に８個の電極及びコイルを設けたために、電極及びコイルの大きさが発電機の大きさに比べて相対的に小さくなり、発電量が小さくなるという問題が指摘された（例えば特許文献３を参照）。

発電量が小さくなるという問題に対して、特許文献３は、図８に示すように、マグネット１５と対向するように配置され、シャフト１２の回転軸線を中心に配置された４個の空芯コイル１６とヨーク１７を備える、発電機を提案した。しかし、特許文献３に記載された発電機は、コイルの大きさは大きくなったものの磁石が４個しかないためにコギングトルクは減らなかった。

更に、Ｓ極とＮ極が隣接して配置された永久磁石発電機は、コイルが磁束を切る瞬間は発電量が０になり、電圧及び電流の脈動を生じるという問題もある。
直流は変圧及び整流に困難を伴うので、コギングを最小化し、安定した高電圧及び大電流の直流電気を発電する永久磁石発電機を提供することが望まれていた。

特許第４１５２４７６号公報 特開２００２−１０５７３号公報 特開２０１７−３４８３６号公報

かかる課題を解決するための本発明は、コギング及び電圧及び電流の脈動を最小化し、電圧及び電流の脈動の少ない安定な直流を発電することができる永久磁石発電機を提供することを課題とする。
また本発明は、磁石及びコイルの数を増やしても電極及びコイルが小さくならず、大電流の直流を出力できる永久磁石発電機を提供することを課題とする。
更に本発明は、コギング及び脈動を最小化することによって、発電効率の高い永久磁石発電機を提供することを課題とする。

かかる課題を解決するための本発明の円筒型永久磁石発電機は、基台と、基台に固定された内面が円筒形の固定子と、固定子の内面と同軸に設置され固定子の内部で回転される円筒形の回転子と、を備える円筒型の永久磁石発電機であって、
前記固定子は、基台に固定された円筒形の内面を有する外側円筒と、外側円筒の内面に円周方向に等間隔に並べて設けられ、外側円筒の直径方向を軸として電線が同一の方向に巻回された複数の空芯のコイルと、外側円筒の外側を覆って円筒形に設けられた外側ヨークと、を備え、
前記回転子は、基台に設けられた軸受けに、外側円筒と同心且つ回転自在に軸支された中心軸と、中心軸に貫通されて固定され、外側円筒の内部に回転自在に設けられた内側円筒と、内側円筒の外周面に円周方向に等間隔に並べられ、磁極の方向が内側円筒の直径方向に沿い、隣接する磁石と相互に反対に向くように着磁された複数の磁石と、内側円筒の内側に設けられ複数の磁石と接する円筒形の内側ヨークと、を備え、
前記磁石の数が４以上の偶数であって、コイルの数が磁石の数より１多いか又は１少ないことを特徴とする。

また本発明は、前記コイルの数が前記磁石の数より１多いことが好ましい。
また、前記磁石の数が８以上であることができる。
前記４以上の偶数個の磁石のそれぞれが、前記内側円筒の中心軸方向の位置を揃えて設置されたことを特徴とする。

また、前記４以上の偶数個の磁石の両端それぞれが、内側円筒の横断面と角度を有し相互に平行な２平面それぞれの上に並ぶように設置されることができる。
また、前記コイルが、更に鉄芯を含むことが好ましい。

また本発明は、コイル各々に連結された整流器と、それぞれの整流器からの出力を直列に連結する配線と、出力端子と、を更に備えることを特徴とする。

本発明の、Ｎ極とＳ極が交互に配置されたｘ個（ｘは４以上の偶数）の磁石が設けられた回転子と、ｘ＋１個又はｘ−１個のコイルが設けられた固定子と、を対向して相対的に回転させる永磁石発電機は、磁石とコイルの数が同数ｘの永久磁石発電機に比べて、一回転のコギング及び脈動の回数が（ｘ＋１）倍又は（ｘ−１）倍に増え、その強度が１／（ｘ＋１）または１／（ｘ−１）に減少するので、コギングが減少し電圧及び電流の脈動が平坦化された直流を発電することができる。

また本発明の円筒型永久磁石発電機は、磁石を円筒形の回転子の外側に配置し、コイルを円筒形の内面を有する固定子の内面に設置することができ、磁石とコイルの設置面積を大きくすることができるので、発電量の大きい永久磁石発電機を提供することができる。

また本発明の円筒型永久磁石発電機は、内側円筒の内側に設けられた内側ヨークと、外側円筒の外側を覆って円筒形に設けられた外側ヨークと、の間に磁石とコイルとが対向して配置されるので、磁力線の空気中での磁束密度の低下を抑制することができ、発電効率を向上させることができる。

また、本発明の円筒型永久磁石発電機は、磁石とコイルとの距離が近い場合には低電圧大電流の出力が得られ、磁石とコイルとの距離が離れるに従って電圧が上昇し電流が減少するので、使用条件や目的に応じ磁石とコイルとの距離を変化させて、入力されたトルクに対する発電機の出力の電圧／電流比を変化させることができる。

本発明の、他の実施形態によれば、磁石それぞれの両端部が、内側円筒の横断面と角度を有し相互に平行な２平面上に並ぶように設けられたことによって、各コイルそれぞれで発電される電流の強度変化及び位相に更に差が生じて、出力される電流を更に平滑化せることができる。
また、本発明の更に他の実施形態によれば、コイルが鉄芯を含むことによって発電量を増加させることができる。

本発明の１実施形態に係る永久磁石発電機の中心軸に沿った縦断面図である。 図１のａ−ａ断面図であって、本発明の１実施形態に係る８個の永久磁石と９個のコイルを有する永久磁石発電機を例としてその構成を概略的に例示する横断面図である。 図２のｂ−ｂ断面を含む一部破断斜視図であって、本発明の１実施形態に係る９個のコイルを有する固定子を例として固定子の内部を例示する模式図である。 本発明の１実施形態に係る８個の磁石を有する回転子を例として回転子を概略的に例示する模式斜視図である。 本発明の他の実施形態に係る回転子の模式斜視図である。 引用文献１に記載の永久磁石発電機の断面図である。 引用文献２に記載の永久磁石発電機の配置図である。 引用文献３に記載の永久磁石発電機の配置図である。

以下に、添付した図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に記載する。この記載は、本発明を説明するためのものであって、この記載によって本発明の技術範囲を限定するものではない。本発明は、本発明の技術範囲から逸脱しない範囲内で、多様に変更して実施することが可能である。

図１は、本発明の１実施形態に係る永久磁石発電機の中心軸に沿った縦断面図であり、図２は、図１のａ−ａ断面図であって、本発明の１実施形態に係る８個の永久磁石と９個のコイルを有する永久磁石発電機を例としてその構成を概略的に例示する横断面図である。
図１、２に示すように、本発明の円筒型永久磁石発電機１は、基台２６と、基台２６に固定された内面が円筒形の固定子１２と、基台２６に回転自在に軸支された中心軸２２に固定され、固定子１２と同一の中心軸をするように配設されて固定子１２の内部で回転される円筒形の回転子１０と、を備える円筒型の永久磁石発電機１であり、筐体３０に収容されることができる。

図３は、図２のｂ−ｂ断面を含む一部破断斜視図であって、本発明の１実施形態に係る９個のコイルを有する固定子を例として固定子の内部を例示する模式図である。
図１〜３に示すように、固定子１２は、外側円筒１３と複数のコイル１６と外側ヨーク２０とを含み、筐体３０に収容されることができる。

基台２６に固定された外側円筒１３は、内面の形状が円筒形であればよく、切開可能に配備することもでき、その外周面の形状は規定されない。
外側円筒１３の内面に複数のコイル１６が、円周方向に等間隔に並べて設けられることが好ましい。

複数のコイル１６は、外側円筒１３の直径方向を軸として電線が同一の方向に巻回されることが好ましい。コイル１６の形状は特に限定されないが、多くの磁束を集めるためになるべく広い面を覆うことが好ましく、厚さが薄いほうが発電機を小型化することができるという観点から、複数の厚さの薄い直方体のコイル１６で外側円筒１３の内面を覆う形状であることができる。

外側ヨーク２０は、外側円筒１３の外側を覆って円筒形に設けられることができるが、外側円筒１３の内側にコイル１６との間に設けてもよい。
外側ヨーク２０は軟鉄で形成されることが好ましいが、空気中での磁力線に磁束密度の低下を抑制する部材であれば、軟鉄以外の材料を用いることができる。

図４は、本発明の１実施形態に係る８個の磁石を有する回転子を例として回転子を概略的に例示する模式斜視図である。
図１、２、４に示すように、回転子１０は中心軸２２と、内側円筒１１と複数の磁石１４と内側ヨーク１８と、を含むことができる。

中心軸２２は、基台２６に固定された軸受２４に、回転自在に軸支されることが好ましい。
内側円筒１１は外面が円筒形であって直径が外側円筒１３より小さく、外側円筒１３の内面と対向して設けられ、その中心に回転軸２２が挿通され固定されることができる。

内側円筒１１の外周面に中心軸２２と平行に、且つ内側円筒１１の円周方向に関して等間隔に並べられた複数の磁石１４を、外側円筒１３に設けられたコイル１６と対向するように設置することができる。
磁石１４は、磁極の方向が内側円筒１１の直径方向に沿い、隣接する磁石１４と相互に反対に向くように着磁されることが好ましい。

磁石１４は、内側円筒１１に設けられた孔（図示しない）に挿入され、内側円筒１１の内面に設けられた円筒形の内側ヨーク１８と接して設けられることができる。内側ヨーク１８は、軟鉄で形成されることが好ましいが、空気中での磁力線に磁束密度の低下を抑制する部材であれば、軟鉄以外の材料を用いることができる。

磁石１４は、発電機の直径を小さくするためには薄型であることが好ましく、多くの磁束を発生させるためになるべく広い面を覆うことが好ましいという観点から、厚さの薄い四角形であることができる。
また磁石１４の材質は特に限定されないが、高い磁力を有するという観点から、ネオジム磁石又はフェライト磁石であることが好ましい。

図１に示すように、本発明の永久磁石発電機は、中心軸２２と、回転子１０の内側円筒１１と、固定子１２の外側円筒１３と、の中心が同一になるように配備されることを特徴とする。
具体的には、基台２６に固定して設けられた固定子１２の外側円筒１３の中心線２１の延長線上に軸受２４が設けられ、軸受２２に回転子１０の中心軸２２が回転自在に軸支され、該中心軸２２が外側円筒１３の貫通孔２３を回転自在に貫通し、外側円筒１３より直径の小さい内側円筒１１に固定されることによって、回転子１０が固定子１２の内部で自在に回転することができる。

回転軸２２に、駆動装置２８を連結して回転子１０を回転させることによって、磁石１４とコイル１６とが相対移動して誘導電流が発生し発電することができる。
駆動装置２８が一定の駆動エネルギーを供給する場合、磁石１４とコイル１６の距離が近い場合には、低電圧大電流の出力が得られ、磁石１４とコイル１６の距離が離れるに従って電圧が上昇し電流が減少する。従って、使用条件および目的によって電流／電圧の比を好ましい値に設計できる。

本発明の円筒型永久磁石発電機１は、内側ヨーク１８と外側ヨーク２０の間に磁石１４とコイル１６とが対向して配置されるので、空気中での磁力線の磁束密度の低下を抑制することができるので、発電効率を向上させることができる。
また、磁石を円筒形の回転子の外側に配置し、コイルを円筒形の内面を有する固定子の内面に配置することができるので、磁石とコイルの面積を大きくすることができ、大きな電力を発電することができる。

本発明の永久磁石発電機１は、４以上の偶数個の磁石１４が円周方向に沿って等間隔に並べられ、磁石１４の数より１個多いか又は１個少ないコイル１６が同心の円周方向に沿って等間隔に並べられた上を通過するので、各々のコイルが磁束を切るタイミングが異なるので、コギング及び脈流を効果的に減少させることができる。
なお、磁極１４は、Ｎ極とＳ極が対になるので偶数であり、コイルは磁石１４の数より１個多いか又は１個少ない数であるので奇数である。

従来の永久磁石発電機は、Ｎ極とＳ極とが交互に配置された磁石と同数のコイルとが設けられていたので、磁石とコイルとが相対的に１回転する間に、各コイルが配置された磁石の回数だけ、同時に磁束を切ることになるので、コギングという回転障害を生じて回転が円滑に行われなくなり、また軌道に大きなトルクが必要になり、脈動が生じるという問題があった。

本発明の永久磁石発電機１は、Ｎ極とＳ極が交互に配置されたｘ個（ｘは４以上の偶数）の磁石１４が設けられた回転子１０が、ｘ＋１個又はｘ−１個のコイル１６が設けられた固定子１２と対向して回転されるので、各コイル１６が磁束を切るタイミングがそれぞれのコイルで異なるようになる。

即ち、コイル１６の数がｘ＋１である場合には、各コイルには１／（ｘ＋１）だけ位相の異なったｘ＋１種類の交流が発電されるから、コギング及び脈動の回数が（ｘ＋１）倍に増えその強度が１／（ｘ＋１）になり、コイル１６の数がｘ−１である場合には、各コイルには１／（ｘ−１）だけ位相の異なったｘ−１種類の交流が発電されるから、コギング及び脈動の回数が（ｘ−１）倍に増えその強度が１／（ｘ−１）になる。
各コイルに整流器を連結し、整流された電流を直列に連結することによって、コギング及び脈動が平滑化された直流を得ることができる。

本発明の磁石１４の数は４以上であることが好ましい。磁石１４の数が２以下であると、コギング及び脈流を効果的に減少させることができない。磁石１４及びコイル１６の数が増えれば増えるほど、コギング及び脈流を効果的に減少させることができる。
より好ましくは、磁石１４の数が８以上であり、コイル１６の数が９以上であることできるが好ましい。
本発明は、磁石１４及びコイル１６の数が増えれば増えるほど、コギング及び脈流を効果的に減少させることができるので、磁石及びコイルの数の上限は定めない。

（実施例）
図１〜４に示す基本構造を有する永久磁石発電機、具体的には、８個の磁石と９個のコイルを備える構造であって、外径が７０ｍｍであり長さが１５０ｍｍである内側円筒１１に、縦１２０ｍｍ、横２５ｍｍ、厚さ２ｍｍで鉄板への吸着力が８．８ｋｇであるオジムネオジム磁石８枚を設置し、内径が９０ｍｍであり長さが１５０ｍｍである外側円筒１３に縦１２０ｍｍ、横２５ｍｍ、厚さ１０ｍｍのコイル９個を設置して円筒型永久磁石発電機を製造した。

駆動装置２８として直流ブラシレスモーターを連結し、１２．０Ｖ、０．２Ａの直流電気を印加し、各コイルに全波整流装置を連結し整粒装置の出力端末を直列に連結した。
発電機の出力端末に負荷を連結して試験したところ、６．８Ｖ、０．２５Ａの出力を得た。出力電流は直流であって、コギング及び脈動は示さなかった。

以上、本発明に関する好ましい実施形態を説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の属する技術範囲を逸脱しない範囲での全ての変更が含まれる。

１ 永久磁石発電機
１０ 回転子
１１ 内側円筒
１２ 固定子
１３ 外側円筒
１４ 磁石
１６ コイル
１８ 内側ヨーク
２０ 外側ヨーク
２１ 中心線（内側円筒、外側円筒、中心軸）
２３ 回転軸貫通孔
２４ 軸受
２６ 支持部
２８ 駆動装置
３０ 筐体

Claims (7)

1. 基台と、前記基台に固定された内面が円筒形の固定子と、前記固定子の内面と同軸に設置され前記固定子の内部で回転される円筒形の回転子と、を備える円筒型の永久磁石発電機であって、
   前記固定子は、
   前記基台に固定された円筒形の内面を有する外側円筒と、
   前記外側円筒の内面に円周方向に等間隔に並べて設けられ、前記外側円筒の直径方向を軸として電線が同一の方向に巻回された複数の空芯のコイルと、
   前記外側円筒の外側を覆って円筒形に設けられた外側ヨークと、
   を備え、
   前記回転子は、
   前記基台に設けられた軸受けに、前記外側円筒と同心且つ回転自在に軸支された中心軸と、
   前記中心軸に貫通されて固定され、前記外側円筒の内部に回転自在に設けられた内側円筒と、
   前記内側円筒の外周面に円周方向に等間隔に並べられ、磁極の方向が前記内側円筒の直径方向に沿い、隣接する磁石と相互に反対に向くように着磁された複数個の磁石と、
   前記内側円筒の内側に設けられ前記複数個の磁石と接する円筒形の内側ヨークと、
   を備え、
   前記磁石の数が４以上の偶数であって、前記コイルの数が前記磁石の数より１多いか又は１少ないことを特徴とする円筒型永久磁石発電機。
2. 前記コイルの数が前記磁石の数より１多いことを特徴とする請求項１に記載の円筒型永久磁石発電機。
3. 前記磁石の数が８以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の円筒型永久磁石発電機。
4. ４以上の偶数個の前記磁石のそれぞれが、前記内側円筒の中心軸方向の位置を揃えて設置されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の円筒型永久磁石発電機。
5. ４以上の偶数個の前記磁石の両端それぞれが、前記内側円筒の横断面と角度を有し相互に平行な２平面それぞれの上に並ぶように設置されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の円筒型永久磁石発電機。
6. 前記コイルが、更に鉄芯を含むことを特徴とする請求項１乃至５いずれか１項に記載の円筒型永久磁石発電機。
7. 前記コイル各々に連結された整流器と、それぞれの整流器からの出力を直列に連結する配線と、出力端子と、を更に備えることを特徴とする請求項１乃至６いずれか１項に記載の円筒型永久磁石発電機。
   
   

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